液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)和小沖孔試驗(yàn)技術(shù)對(duì)比研究

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(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇省過程強(qiáng)化與新能源裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816；2．中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

在壓力容器、鍋爐、管道以及核工業(yè)設(shè)施和結(jié)構(gòu)中，材料長期運(yùn)行在高溫、高壓條件下，檢測(cè)、評(píng)價(jià)材料狀況以及預(yù)測(cè)其剩余壽命一直是一個(gè)重要的研究課題[1-2]。進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，如果按照常規(guī)方法取樣，則需要的材料體積較大，從在役設(shè)備上提取試樣必將對(duì)設(shè)備造成損傷[3]。而傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)和金相組織分析只能測(cè)出宏觀缺陷及材料組織的變化，但不適用于評(píng)估材料力學(xué)性能的變化。

近年來，微試樣試驗(yàn)技術(shù)得到了飛速發(fā)展[4]。國際主流的微試樣試驗(yàn)技術(shù)按照試樣種類主要分為以下3種：①采用小型化試樣或者將測(cè)試材料按比例縮小進(jìn)行傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)，比如微型的拉伸、疲勞、沖擊和斷裂韌度試驗(yàn)[5-6]。②采取微損試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣通常采用厚度約為0.5 mm的薄片。③通過球壓痕技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。不同于傳統(tǒng)的硬度測(cè)試試驗(yàn)，球壓痕試驗(yàn)通過對(duì)測(cè)量得到的壓痕載荷-深度曲線的分析得出材料強(qiáng)度、延展性以及其他參數(shù)[7-9]。

微損試驗(yàn)技術(shù)包含小沖孔試驗(yàn)技術(shù)[10-16]和液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)[17-18]。采用微損試驗(yàn)技術(shù)所需的試樣尺寸極小(試樣直徑或者邊長在3～10 mm，厚度0.1～0.5 mm)，可以廣泛應(yīng)用到一些不具備標(biāo)準(zhǔn)試樣取樣條件的場(chǎng)合，如破壞性取樣有困難、節(jié)省貴重金屬材料或受工作環(huán)境限制的輻照試驗(yàn)等，甚至可以直接從在役設(shè)備上取少量試樣進(jìn)行壽命和安全評(píng)估分析。微損試驗(yàn)技術(shù)和傳統(tǒng)的拉伸試驗(yàn)方法一樣，能夠綜合反映出材料的力學(xué)性能。作為一種基于無損取樣概念的新型試驗(yàn)方法，微損試驗(yàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛[19-20]。

文中從試驗(yàn)裝置、試樣形狀、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)過程、強(qiáng)度解算方法和適應(yīng)性等方面對(duì)小沖孔試驗(yàn)技術(shù)和液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，以加深對(duì)微損試驗(yàn)技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

1 試驗(yàn)裝置及試樣形狀

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1小沖孔試驗(yàn)

只需要簡(jiǎn)單的力學(xué)性能試驗(yàn)裝置、普通的拉伸試驗(yàn)機(jī)以及部分附加裝置配合設(shè)計(jì)的夾具就可以采用小沖孔試驗(yàn)技術(shù)完成對(duì)材料性能的一系列測(cè)試。小沖孔試驗(yàn)機(jī)和常規(guī)拉伸試驗(yàn)機(jī)的機(jī)構(gòu)原理是基本相同的。小沖孔試驗(yàn)夾具的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，裝置實(shí)物圖見圖2。

圖1 小沖孔試驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)示圖

圖2 小沖孔試驗(yàn)裝置實(shí)物

1.1.2液壓鼓脹試驗(yàn)

液壓鼓脹試驗(yàn)機(jī)由中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院自主研制，由加載裝置、夾持裝置、位移測(cè)量?jī)x和數(shù)據(jù)采集裝置組成。加載裝置是由氣泵和螺桿泵組成的二級(jí)加載裝置。氣泵和螺桿泵通過節(jié)流閥隔開，氣泵使裝置內(nèi)充滿液壓油，并使試樣夾緊。螺桿泵進(jìn)行第二級(jí)加載，使試樣變形直至破裂。夾持裝置由夾持螺母、底座、壓蓋和O型密封圈組成。位移測(cè)量?jī)x用來測(cè)量試樣中心極頂位移。

液壓鼓脹試驗(yàn)夾持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，裝置實(shí)物見圖4。

圖3 液壓鼓脹試驗(yàn)夾持裝置結(jié)構(gòu)示圖

圖4 液壓鼓脹試驗(yàn)裝置實(shí)物

1.2 試樣形狀

小沖孔試驗(yàn)試樣和液壓鼓脹試驗(yàn)試樣通常都是厚度為0.5 mm的薄片。小沖孔試驗(yàn)試樣一般為便于加工的?10 mm圓片(圖5a)，而液壓鼓脹試驗(yàn)通常采用10 mm×10 mm的方片試樣(圖5b)，主要是考慮液壓鼓脹試驗(yàn)時(shí)試樣被夾持面積更大。

2 試驗(yàn)原理及過程

2.1 試驗(yàn)原理

2.1.1小沖孔試驗(yàn)

小沖孔試驗(yàn)是用沖桿以一定的速度沖壓鋼珠，并通過鋼珠作用于薄片試樣，使其變形失效斷裂，見圖6。實(shí)時(shí)記錄下試樣從開始變形到失效斷裂整個(gè)過程中的加載載荷和試樣中心點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，并繪制成位移-載荷曲線，見圖7。

圖6 小沖孔試驗(yàn)原理圖

圖7 小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線

2.1.2液壓鼓脹試驗(yàn)

中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院在小沖孔試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上借鑒爆破片[21]的試驗(yàn)原理提出了液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)。該方法模仿爆破試驗(yàn)的加載方式，對(duì)薄片試樣進(jìn)行液壓加載，使其鼓脹并爆破，見圖8(圖中D為壓頭內(nèi)孔半徑，r為壓頭倒角半徑)。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)記錄下載荷及薄片中心點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，繪制成位移-載荷曲線，見圖9。

圖8 液壓鼓脹試驗(yàn)原理圖

圖9 液壓鼓脹試驗(yàn)位移-載荷曲線

2.2 試驗(yàn)過程

小沖孔試驗(yàn)和液壓鼓脹試驗(yàn)過程都是從試樣開始變形到斷裂，但兩者的加載機(jī)制不同，試驗(yàn)后試樣破裂的位置也不相同。小沖孔試驗(yàn)試樣的斷裂位置到試樣中心尚有一定距離(圖10a)。液壓鼓脹試樣的斷裂是先在試樣中心點(diǎn)產(chǎn)生微裂紋，然后向四周無規(guī)則擴(kuò)散(圖10b)。2種試驗(yàn)方法破裂試樣剖面見圖11。

圖10 2種試驗(yàn)方法破裂試樣位置及形狀

圖11 2種試驗(yàn)方法破裂試樣剖面圖

由圖11可以更加直觀地看出試樣破裂位置的不同。小沖孔試驗(yàn)試樣的斷裂位置不在試樣的中心處，而是在最大切應(yīng)力處。這是由于鋼球擠壓試樣導(dǎo)致試樣在斷裂區(qū)域發(fā)生頸縮現(xiàn)象，或者是加載導(dǎo)致變薄位置出現(xiàn)的裂紋逐漸擴(kuò)展直到試樣斷裂失效[22]。液壓鼓脹試驗(yàn)試樣的斷裂位置在試樣的中心(球冠頂部)，這是由于試樣內(nèi)部的強(qiáng)度達(dá)到材料的極限強(qiáng)度所致。

2.3 試樣破裂位置有限元模擬

通過Ansys有限元軟件對(duì)材料為4130X、厚度為0.5 mm的薄片試樣進(jìn)行模擬。試驗(yàn)過程中發(fā)生變形的部分主要是圓片試樣，而不是上夾具、下夾具或者鋼珠，因此可以認(rèn)為這幾個(gè)部分為剛體。考慮到實(shí)際的試驗(yàn)條件，假設(shè)材枓為各向同性。

由于小沖孔試驗(yàn)和液壓鼓脹試驗(yàn)的夾具、試樣以及載荷邊界條件都是軸對(duì)稱形狀，因此其有限元模型均采用2D軸對(duì)稱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。小沖孔試驗(yàn)和液壓鼓脹試驗(yàn)過程中試樣都發(fā)生了嚴(yán)重變形，因此要打開大變形開關(guān)。為了在模擬過程中使試樣不產(chǎn)生滑移，需要對(duì)試樣、下夾具和上夾具進(jìn)行固定約束。

小沖孔試驗(yàn)的有限元模型由上夾具、下夾具、鋼珠和試樣組成，見圖12。試驗(yàn)中鋼珠與試樣以及夾具與試樣之間存在接觸，因此在鋼珠與試樣以及夾具與試樣之間分別設(shè)置接觸對(duì)。

圖12 小沖孔試驗(yàn)限元模型

液壓鼓脹試驗(yàn)有限元模型由上夾具、下夾具和試樣組成，見圖13。試驗(yàn)中夾具與試樣之間存在接觸，因此在夾具與試樣之間設(shè)置接觸對(duì)。

圖13 液壓鼓脹試驗(yàn)有限元模型

對(duì)鋼珠施加2.2 mm位移載荷得到的小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線見圖14，應(yīng)力云圖見圖15。

圖14 加載位移2.2 mm的小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線

圖15 加載位移2.2 mm的小沖孔試驗(yàn)應(yīng)力云圖

由圖14和圖15可以知道，小沖孔試驗(yàn)試樣已經(jīng)破裂，斷裂位置在試樣中心旁邊，與試驗(yàn)得到的斷裂位置非常吻合。

對(duì)試樣加載117 MPa得到的液壓鼓脹試驗(yàn)位移-載荷曲線見圖16，應(yīng)力云圖見圖17。由圖16和圖17

圖16 加載117 MPa的液壓鼓脹試驗(yàn)位移-載荷曲線

圖17 加載117 MPa的液壓鼓脹試驗(yàn)應(yīng)力云圖

可知試樣已破裂并且起裂點(diǎn)在試樣的中心點(diǎn)，與試驗(yàn)得到的斷裂位置吻合。

3 強(qiáng)度解算方法

3.1 小沖孔試驗(yàn)

典型的小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線見圖18。目前，通過小沖孔試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度的方法已經(jīng)較為成熟，可將材料屈服強(qiáng)度σy、抗拉強(qiáng)度Rm和屈服載荷py、極限載荷pmax進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，建立小沖孔試驗(yàn)和材料力學(xué)性能試驗(yàn)之間的聯(lián)系。

圖18 典型小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線

試驗(yàn)曲線有4個(gè)變形階段，即彈性變形階段(Ⅰ)、塑性變形階段(Ⅱ)、薄膜伸張階段(Ⅲ)和塑性失穩(wěn)階段(Ⅳ)。

位移-載荷曲線上的最高載荷值即極限載荷pmax，其產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)應(yīng)為抗拉強(qiáng)度。屈服載荷py是試樣從Ⅰ階段到Ⅱ階段的過渡點(diǎn)，它是曲線初始變形的終點(diǎn)，其產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)應(yīng)為屈服強(qiáng)度。因?yàn)樾_孔試樣不存在一個(gè)能與單軸拉伸試樣類同的顯著屈服點(diǎn)，表現(xiàn)在位移-載荷曲線上是一個(gè)過渡的屈服彎曲線段，所以py不是明確的拐點(diǎn)，難以確定。

精確推算屈服強(qiáng)度的首要前提是采用合理的方法確定屈服載荷py。常用的方法有雙斜率法、偏移法和最小二乘法等[23]，但各方法源于不同的失效準(zhǔn)則，物理意義不強(qiáng)，而且不同方法之間有較大誤差。

目前小沖孔試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度的確定是采用和拉伸試驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式的方法，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Rm=γ(pmax/t02)-η

(1)

式中，η為常數(shù)，γ為與試樣尺寸和夾具尺寸相關(guān)的系數(shù)；Rm為拉伸試驗(yàn)所得材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；t0為試樣初始厚度，mm。

研究表明，小沖孔試驗(yàn)的屈服載荷和材料單軸拉伸試驗(yàn)獲得的屈服強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，能夠建立兩者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式。根據(jù)不同學(xué)者的研究[24-28]，得到以下公式：

σy=(α±β)py/t02+(a±b)

(2)

式中，a為常數(shù)，α為與試樣尺寸和夾具尺寸相關(guān)的系數(shù)，β和b為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過改變小沖孔試驗(yàn)變量，發(fā)現(xiàn)試樣初始厚度、壓頭半徑(直徑)和下模孔徑等因素都會(huì)影響材料屈服強(qiáng)度的最終數(shù)值。由于擬合公式中的α是與試樣尺寸和夾具尺寸相關(guān)的系數(shù)，所以不同學(xué)者給出的具體關(guān)聯(lián)公式不具可比性。

3.2 液壓鼓脹試驗(yàn)

液壓鼓脹試驗(yàn)位移-載荷曲線和小沖孔試驗(yàn)位移-載荷曲線非常相似，特征點(diǎn)也相同。屈服載荷py是試樣從彈性變形到塑性變形的過渡點(diǎn)，同樣難以確定。pmax為試驗(yàn)曲線上的最高載荷值，即極限載荷，因此容易確定。運(yùn)用各種理論和分析方法將材料屈服強(qiáng)度σy、抗拉強(qiáng)度Rm和屈服載荷py、極限載荷pmax進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同樣建立了液壓鼓脹試驗(yàn)和材料力學(xué)性能試驗(yàn)之間的聯(lián)系。

處理液壓鼓脹試驗(yàn)位移-載荷曲線的方法，即確定屈服載荷py的方法，有雙斜率法、0.2%殘余應(yīng)變準(zhǔn)則和兩倍彈性斜率法等。這些方法和準(zhǔn)則大多參考不同的失效準(zhǔn)則，不具備物理意義，不能與常規(guī)材料拉伸試驗(yàn)的特征點(diǎn)進(jìn)行比較。目前應(yīng)用最多的是雙斜率法和兩倍彈性斜率法。

馬昀晟[29]通過對(duì)Al、Ni201、16MnR、316L、SA240 304、S30408、SUS304這7種材料進(jìn)行常規(guī)拉伸試驗(yàn)以及對(duì)規(guī)格為?10 mm×0.3 mm的試樣進(jìn)行的液壓鼓脹試驗(yàn)，分別得到了σy-py和Rm-pmax的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

(3)

董梁[30]以16MnR為例，具體比較屈服強(qiáng)度的不同計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于雙斜率法，兩倍彈性斜率法確定的屈服載荷較大，并且載荷的離散程度也較大，以極頂位移100 μm為參量所確定的屈服載荷py100與雙斜率法確定的屈服載荷py較為接近，且將py或py100帶入理論解析計(jì)算公式得到的材料屈服強(qiáng)度與常規(guī)拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度吻合良好。采用Ansys軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)，材料屈服平臺(tái)的長度對(duì)液壓爆破試驗(yàn)位移-載荷曲線以及彈性變形向塑性變形的過渡段位移-載荷曲線幾乎沒有影響，即py100對(duì)關(guān)聯(lián)材料屈服強(qiáng)度的方法沒有影響。

王漢奎[31]將液壓鼓脹試驗(yàn)的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為固支圓平板受均布外壓模型[32-34](圖19)，并且分別提出了計(jì)算屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的公式：

(4)

式中，Rc為最大載荷下試樣球帽的半徑，tp為試樣球帽壁厚，mm；α取11.26(Tresca應(yīng)力)或12.17(Von-Mises應(yīng)力)。

圖19 受橫向壓力的周邊固支圓板模型

式(4)中計(jì)算屈服強(qiáng)度的公式是基于圓板彎曲假設(shè)，它將試樣的屈服應(yīng)力轉(zhuǎn)化為均勻壓力下圓板的塑性極限載荷。計(jì)算極限抗拉強(qiáng)度的公式則是基于球帽假設(shè)和塑性不穩(wěn)定性理論。處理位移-載荷曲線的方法是結(jié)合黃金分割法的兩倍斜率法。

液壓鼓脹試驗(yàn)半理論解析解中的參數(shù)都是可以確定的，不包含經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)性的參數(shù)，故較經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)法更為精確，而且處理位移-載荷曲線的方法更為科學(xué)和精確。

4 適應(yīng)性

4.1 小沖孔試驗(yàn)

小沖孔試驗(yàn)與傳統(tǒng)試驗(yàn)(單軸拉伸試驗(yàn)、平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法、利用JR阻力曲線確定金屬材料延性斷裂韌度JIC的試驗(yàn)方法、金屬夏比沖擊試驗(yàn)等)的關(guān)聯(lián)性研究已經(jīng)日趨成熟，對(duì)小沖孔試驗(yàn)曲線以及試樣變形尺寸進(jìn)行處理分析可得到材料的強(qiáng)度性能、塑性性能、沖擊韌性、斷裂韌度和蠕變性能等數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)能夠建立小沖孔試驗(yàn)和傳統(tǒng)試驗(yàn)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式。

美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)在2002年頒布了用于外科植入的聚乙烯小沖孔試樣的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[35]。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(CEN)于2006年制定了小沖孔試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)草案CWA 15627—2006《Small Punch Test Method for Metallic Materials》[36]，這是首部關(guān)于小沖孔試驗(yàn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著該技術(shù)開始走向工程應(yīng)用。2012年，華東理工大學(xué)和中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院合作制定了GB/T 29459.1—2012《在役承壓設(shè)備金屬材料小沖桿試驗(yàn)方法 第1部分：總則》[37]。

但是小沖孔試驗(yàn)技術(shù)也存在著一些不足：①試樣承受集中載荷且變形過程含有大量非線性問題，難以得到理論解析解。②對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及斷裂韌度等的評(píng)估大多屬于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)[38]，不同的研究者得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式不盡相同[39]。③經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式還會(huì)受到鋼珠尺寸、鋼珠剛性、鋼珠對(duì)中、鋼珠與試樣間摩擦因數(shù)以及試驗(yàn)機(jī)剛度等因素的影響[40]，導(dǎo)致不同研究者得出的經(jīng)驗(yàn)公式也不能相互通用[41]，得出的同種材料試驗(yàn)曲線也不相同。

4.2 液壓鼓脹試驗(yàn)

通過液壓鼓脹試驗(yàn)的位移-載荷曲線可以分析材料的常規(guī)力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。該試驗(yàn)技術(shù)對(duì)薄片試樣施加均布載荷，對(duì)應(yīng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為周邊固支受均勻橫向壓力的圓薄板，由于消除了接觸非線性的影響，理論上便于建立液壓鼓脹試驗(yàn)的理論解析公式。

液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)同樣存在著不足：①試驗(yàn)裝置較復(fù)雜，不僅要使用高壓油泵、高壓管路，還需設(shè)計(jì)1套新的試驗(yàn)裝置，投入較大。而小沖孔試驗(yàn)僅需萬能試驗(yàn)機(jī)配合重新設(shè)計(jì)的夾具即可。②液壓鼓脹試驗(yàn)試樣破裂時(shí)釋放的能量大，對(duì)位移傳感器選擇要求高。③由于使用液壓油加載，液壓鼓脹試驗(yàn)的適用溫度范圍受液壓油的工作溫度范圍限制，相比小沖孔試驗(yàn)溫度范圍較小，難以進(jìn)行高溫試驗(yàn)和低溫試驗(yàn)。

5 結(jié)語

從試驗(yàn)裝置、試樣形狀、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)過程、強(qiáng)度解算方法和適應(yīng)性等方面系統(tǒng)比較了小沖孔試驗(yàn)技術(shù)和液壓鼓脹試驗(yàn)技術(shù)的不同。目前，可利用液壓鼓脹試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)新型小沖孔試驗(yàn)夾具，以減小試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)的影響。下一步的工作是通過有限元模擬分析得到小沖孔試驗(yàn)中影響參數(shù)的作用，結(jié)合新型小沖孔試驗(yàn)夾具的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到類似于液壓鼓脹試驗(yàn)理論解的小沖孔試驗(yàn)的近似解。